CH650834A5

CH650834A5 - SHUTTER BLOCK AND ANNULAR SHUTTER FOR WELLS.

Info

Publication number: CH650834A5
Application number: CH6604/82A
Authority: CH
Inventors: Robert Joseph Turlak; Bolie Calvin Williams Iii; Gary Ronald Schaeper
Original assignee: Cameron Iron Works Inc
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-11-12
Publication date: 1985-08-15
Also published as: SG82785G; DE3245166C2; DE3245166A1; GB2112431B; CA1195608A; JPH0317998B2; AU9061982A; NL190876B; JPS58195689A; NO164192C; NZ202366A; NL190876C; MX156724A; US4460150A; NL8204417A; FR2519065A1; AU547144B2; ATA464582A; NO824386L; FR2519065B1

Description

L'invention a pour but d'obtenir un bloc obturateur annulaire de construction simple et d'une durée de service relativement longue. A cet effet, le bloc obturateur selon l'invention comprend: The object of the invention is to obtain an annular obturator block of simple construction and of a relatively long service life. To this end, the shutter block according to the invention comprises:

— un corps annulaire présentant une chambre annulaire axiale et des orifices traversant le corps en des extrémités opposées de la chambre; - An annular body having an axial annular chamber and orifices passing through the body at opposite ends of the chamber;

— des moyens formant, à l'intérieur du corps, un épaulement en saillie intérieure et dirigé vers le bas; - Means forming, inside the body, an interior projecting shoulder and directed downwards;

— un obturateur annulaire dont une extrémité prend appui contre l'épaulement et comprenant un anneau élastique déformable présentant une pluralité d'éléments d'insertion formant un diaphragme encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau élastique et s'amincissant vers le haut et vers l'extérieur de façon que leurs extrémités internes présentent une épaisseur accrue qui s'étend partiellement sur la longueur de l'anneau, sur sa périphérie interne, sur une distance inférieure à la longueur axiale de l'anneau, lorsque ce dernier est complètement déformé, et An annular obturator, one end of which bears against the shoulder and comprising a deformable elastic ring having a plurality of insertion elements forming a diaphragm embedded in the upper end of the elastic ring and tapering upwards; outwards so that their internal ends have an increased thickness which extends partially over the length of the ring, on its internal periphery, over a distance less than the axial length of the ring, when the latter is completely distorted, and

— un piston annulaire disposé dans la chambre annulaire et comportant un bras qui est en prise avec l'extrémité de l'obturateur opposée à l'extrémité en contact avec l'épaulement, une application alternée de pression aux extrémités opposées de la chambre annulaire déplaçant le piston à l'encontre de l'obturation, de manière à le déformer entre le piston et l'épaulement en une position intérieure d'obturation étanche et déplaçant le piston en sens inverse pour permettre à l'obturateur de se détendre vers sa position d'ouverture. An annular piston disposed in the annular chamber and comprising an arm which is in engagement with the end of the obturator opposite the end in contact with the shoulder, an alternating application of pressure at the opposite ends of the annular chamber displacing the piston against the obturation, so as to deform it between the piston and the shoulder in an internal sealed obturation position and moving the piston in the opposite direction to allow the obturator to relax towards its position opening hours.

L'invention a également pour objet un obturateur pour le bloc obturateur qui est agencé tel que défini par la revendication 4. The subject of the invention is also a shutter for the shutter block which is arranged as defined by claim 4.

Les avantages de l'invention seront décrits ci-après plus en détail, en se référant à titre d'exemple au dessin annexé, sur lequel: The advantages of the invention will be described below in more detail, with reference by way of example to the appended drawing, in which:

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

— la fig. 1 est une vue en élévation partielle et en coupe partielle du bloc obturateur annulaire selon l'invention, muni de son obturateur en position ouverte; - fig. 1 is a view in partial elevation and in partial section of the annular shutter block according to the invention, provided with its shutter in the open position;

— la fig. 2 est une vue en plan de l'obturateur en position ouverte; - fig. 2 is a plan view of the shutter in the open position;

— la fig. 3 est une vue analogue à la fig. 2, l'obturateur étant en position fermée; - fig. 3 is a view similar to FIG. 2, the shutter being in the closed position;

— la fig. 4 est une vue en coupe partielle, suivant la ligne 4-4 de la fig. 2; - fig. 4 is a partial sectional view along line 4-4 of FIG. 2;

— la fig. 5 est une vue analogue à la fig. 1, mais représentant l'obturateur en position fermée; - fig. 5 is a view similar to FIG. 1, but showing the shutter in the closed position;

— la fig. 6 est une vue en plan, à plus grande échelle, représentant deux éléments d'insertion afin d'illustrer leur engagement mutuel. - fig. 6 is a plan view, on a larger scale, representing two insertion elements in order to illustrate their mutual engagement.

Le bloc obturateur annulaire 10, représenté aux fig. 1 et 5, comprend un corps annulaire 12, traversé par un alésage vertical 13, un piston annulaire 14, une bague de retenue 16, une bague de blocage 18 et un obturateur 20. Le corps 12 comprend une bride inférieure 22 reliée à un col 24, un rebord annulaire 26 s'étendant vers le haut à partir du col 24, et une partie annulaire extérieure 28 du corps, qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir du col 24 et vers le haut, sur le pourtour et à distance du rebord 26. Une chambre 30 est formée par l'espace annulaire compris entre le rebord 26 et la partie 28 se trouvant en dessous de l'extrémité inférieure de la bague de retenue 16. Le piston 14 est positionné de manière à pouvoir se déplacer partiellement à l'intérieur de la chambre 30. Un passage 32 s'étend au travers de la partie 28 du corps, vers la chambre 30 et permet d'envoyer du fluide sous pression à la base du piston 14, provoquant ainsi son déplacement vers le haut, et d'expulser le fluide lorsque le piston 14 se déplace vers le bas. Un passage 34 s'étend au travers de la partie 28 du corps vers la chambre 30 afin d'envoyer du fluide sous pression sur le haut du piston 14, provoquant ainsi son déplacement vers le bas, et d'expulser le fluide lorsque le piston 14 se déplace vers le haut. The annular obturator block 10, shown in FIGS. 1 and 5, comprises an annular body 12, crossed by a vertical bore 13, an annular piston 14, a retaining ring 16, a locking ring 18 and a shutter 20. The body 12 comprises a lower flange 22 connected to a neck 24, an annular rim 26 extending upwards from the neck 24, and an outer annular part 28 of the body, which extends radially outwards from the neck 24 and upwards, around the periphery and spaced from the rim 26. A chamber 30 is formed by the annular space comprised between the rim 26 and the part 28 located below the lower end of the retaining ring 16. The piston 14 is positioned so as to be able to partially move inside the chamber 30. A passage 32 extends through the part 28 of the body, towards the chamber 30 and makes it possible to send fluid under pressure to the base of the piston 14, thus causing its moving up, and expelling the fluid when the piston 14 moves toward the bottom. A passage 34 extends through the part 28 of the body towards the chamber 30 in order to send pressurized fluid to the top of the piston 14, thus causing it to move downward, and to expel the fluid when the piston 14 moves up.

L'obturateur 20 de forme annulaire est positionné dans un logement 37 formé entre un épaulement 36 de la bague de retenue 16 et l'extrémité supérieure d'un bras annulaire 38 appartenant au piston 14. L'obturateur 20 est engagé, à son extrémité inférieure, par le bras annulaire 38 du piston 14. De cette façon, lorsque le piston 14 se déplace vers le haut, son bras 38 exerce une force axiale sur l'obturateur 20. L'épaulement 36 empêche le déplacement de l'obturateur 20 vers le haut, cependant que la surface intérieure 40 de la bague de retenue 16 empêche le déplacement radial extérieur de l'obturateur 20, de sorte que l'obturateur se déplace vers sa position fermée ou d'obturation étanche, comme représenté à la fig. 5. The annular shutter 20 is positioned in a housing 37 formed between a shoulder 36 of the retaining ring 16 and the upper end of an annular arm 38 belonging to the piston 14. The shutter 20 is engaged at its end lower, by the annular arm 38 of the piston 14. In this way, when the piston 14 moves upward, its arm 38 exerts an axial force on the shutter 20. The shoulder 36 prevents movement of the shutter 20 upward, while the inner surface 40 of the retaining ring 16 prevents the outer radial movement of the shutter 20, so that the shutter moves to its closed or sealed position, as shown in FIG . 5.

L'obturateur 20 représenté plus en détail aux fig. 2, 3, 4 et 6, comprend un anneau élastique 42, une série circulaire supérieure d'éléments d'insertion rigides 44 agencés, liés et encastrés dans la surface supérieure de l'anneau 42, ainsi qu'une série circulaire inférieure d'éléments d'insertion rigides 46, liés à la surface inférieure de l'anneau 42 et encastrés dans cet anneau. Les éléments d'insertion rigides 44 sont de forme triangulaire en plan et sont effilés vers le haut et vers l'extérieur, de façon que leurs extrémités internes soient plus épaisses que les extrémités externes. Les extrémités internes des éléments d'insertion 44 sont suffisamment longues pour assurer leur déplacement vers l'intérieur, conjointement au déplacement de l'anneau 42, ainsi que leur pivotement vers l'intérieur, comme repré650 834 The shutter 20 shown in more detail in FIGS. 2, 3, 4 and 6, comprises an elastic ring 42, an upper circular series of rigid insertion elements 44 arranged, linked and embedded in the upper surface of the ring 42, as well as a lower circular series of rigid insertion elements 46, linked to the lower surface of the ring 42 and embedded in this ring. The rigid inserts 44 are triangular in plan and are tapered upward and outward, so that their inner ends are thicker than the outer ends. The internal ends of the insertion elements 44 are sufficiently long to ensure their displacement inwards, together with the displacement of the ring 42, as well as their pivoting inwards, as shown in the illustration.

senté à la fig. 3. Dans la position ouverte détendue de l'anneau, telle que représentée à la fig. 2, les éléments d'insertion triangulaires 44 sont orientés obliquement par rapport à l'axe de l'obturateur et en contact entre eux de sorte que, lorsque le piston annulaire 14 se déplace vers sa position de fermeture, comme représenté à la fig. 3, les éléments d'insertion 44 sont entraînés en rotation à la façon d'un diaphragme, en des positions moins obliques tout en se déplaçant vers l'intérieur. Cela accroît le soutien de l'anneau, par accroissement des longueurs radiales efficaces (c'est-à-dire des étendues radiales) des éléments d'insertion. felt in fig. 3. In the relaxed open position of the ring, as shown in FIG. 2, the triangular insertion elements 44 are oriented obliquely with respect to the axis of the shutter and in contact with each other so that, when the annular piston 14 moves towards its closed position, as shown in FIG. 3, the insertion elements 44 are rotated like a diaphragm, in less oblique positions while moving inward. This increases the support of the ring, by increasing the effective radial lengths (i.e., radial expanses) of the inserts.

Des éléments d'insertion rigides 46 peuvent être les mêmes que les éléments 44, sauf qu'ils peuvent être l'inverse desdits éléments 44, de façon qu'ils aient le même mouvement relatif que les éléments 44. Il y a lieu de penser que l'utilisation d'éléments d'insertion rigides 46 qui soient identiques aux éléments 44 peut être avantageuse. Lors de l'actionnement, la rotation opposée des éléments 46 à partir des éléments 44 impartira une légère torsion à l'anneau 42. On admet que cette torsion de l'anneau 42 assiste ce dernier lors de l'ouverture. Rigid insert elements 46 can be the same as elements 44, except that they can be the reverse of said elements 44, so that they have the same relative movement as elements 44. There is reason to think that the use of rigid insertion elements 46 which are identical to the elements 44 may be advantageous. During actuation, the opposite rotation of the elements 46 from the elements 44 will impart a slight twist to the ring 42. It is assumed that this twist of the ring 42 assists the latter during opening.

Comme précédemment décrit, le déplacement de l'anneau élastique 42, lorsqu'il est axialement déformé, provoque un mouvement de pivotement des éléments 44, ce qui assure le maintien de l'extrémité supérieure de l'anneau élastique 42. Ce déplacement des corps 48 peut être désigné sous le nom d'effet de diaphragme, du fait qu'il provoque une réduction du diamètre du support efficace par les éléments 44. Les éléments 46 ont un effet similaire. As previously described, the movement of the elastic ring 42, when it is axially deformed, causes a pivoting movement of the elements 44, which ensures the maintenance of the upper end of the elastic ring 42. This movement of the bodies 48 may be referred to as a diaphragm effect, since it causes the effective support diameter to be reduced by the elements 44. The elements 46 have a similar effect.

Chacun des éléments d'insertion 44 présente une cavité 48 sur un côté et une saillie 50 sur l'autre côté. La cavité 48 se termine à proximité de l'extrémité interne des éléments 44 pour former un épaulement 52, lequel est engagé par l'extrémité interne de la saillie adjacente 50, lorsque l'un des éléments se trouve plus en saillie intérieurement que son élément adjacent. On obtient de cette manière un moyen permettant de supporter uniformément la partie supérieure de l'anneau élastique 42, lorsque ce dernier est fermé sur un tube ou sur lui-même. Each of the insertion elements 44 has a cavity 48 on one side and a projection 50 on the other side. The cavity 48 ends near the internal end of the elements 44 to form a shoulder 52, which is engaged by the internal end of the adjacent projection 50, when one of the elements is more projecting internally than its element adjacent. This provides a means for uniformly supporting the upper part of the elastic ring 42, when the latter is closed on a tube or on itself.

Durant les opérations normales de forage, le piston 14 est en bas de sa course et l'obturateur 20 est détendu, ce qui permet d'obtenir un trou complet qui est au moins d'aussi grand diamètre que l'alésage 13, tel que représenté à la fig. 1. Lorsqu'on veut que le bloc obturateur 10 soit fermé, le fluide sous pression est envoyé par le passage 32 dans la chambre 30, le passage 34 étant mis en communication avec une sortie appropriée (non représentée). Il s'ensuit que le piston 14 se déplace vers le haut de sorte que le bras 38 déforme axialement l'obturateur 20. Cette déformation entraîne le déplacement de l'anneau 42 vers l'intérieur, comme représenté à la fig. 5. En outre, les éléments d'insertion 44 et 46 pivotent et se déplacent radialement vers l'intérieur pour prendre la position représentée à la fig. 3. en vue d'accroître le maintien de la partie centrale de l'anneau 42. La détente de l'anneau 42 est obtenue en relâchant la pression du fluide sous le piston 14, par le passage 32, et en appliquant le fluide sous pression au-dessus du piston 14, par le passage 34. Il s'ensuit que le piston 14 se déplace vers la position représentée à la flg. 1, ce qui permet à l'obturateur 20 de reprendre sa position d'ouverture complète. During normal drilling operations, the piston 14 is at the bottom of its stroke and the shutter 20 is relaxed, which makes it possible to obtain a complete hole which is at least as large in diameter as the bore 13, such as shown in fig. 1. When it is desired that the shutter block 10 is closed, the pressurized fluid is sent through the passage 32 into the chamber 30, the passage 34 being placed in communication with an appropriate outlet (not shown). It follows that the piston 14 moves upward so that the arm 38 axially deforms the shutter 20. This deformation causes the ring 42 to move inward, as shown in FIG. 5. In addition, the insertion elements 44 and 46 pivot and move radially inwards to take the position shown in FIG. 3. in order to increase the retention of the central part of the ring 42. The expansion of the ring 42 is obtained by releasing the pressure of the fluid under the piston 14, through the passage 32, and by applying the fluid under pressure above the piston 14, through the passage 34. It follows that the piston 14 moves to the position shown in fig. 1, which allows the shutter 20 to return to its fully open position.

Comme représenté, l'extrémité interne de chaque saillie 50 vient en contact avec l'épaulement 52 à l'extrémité de la cavité adjacente 48, assurant ainsi un positionnement de forme générale circulaire des extrémités internes des éléments d'insertion 44 et 46, lorsque l'obturateur 20 est fermé. As shown, the internal end of each projection 50 comes into contact with the shoulder 52 at the end of the adjacent cavity 48, thus ensuring a generally circular positioning of the internal ends of the insertion elements 44 and 46, when the shutter 20 is closed.

3 3

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

R R

3 feuilles dessins 3 sheets of drawings

Claims

650 834

2

1. Annular obturator block, characterized in that it comprises:

An annular body (12) having an axial annular chamber (30) and orifices (32, 34) passing through the body at opposite ends of the chamber (30),

- Means (16, 18) forming, inside the body, a shoulder (36) projecting inside and directed downwards;

- an annular obturator (20), one end of which bears against the shoulder (36) and comprising a deformable elastic ring (42) having a plurality of insertion elements (44)

forming a diaphragm embedded in the upper end of the elastic ring (42) and tapering upwards and outwards so that their internal ends have an increased thickness which extends partially over the length of the ring, on its internal periphery, over a distance less than the axial length of the ring (42), when the latter is completely deformed, and

- an annular piston (14) disposed in the annular chamber (30) and comprising an arm (38) which is in engagement with the end of the obturator (20) opposite the end in contact with the shoulder (36 ), an alternating application of pressure at the opposite ends of the annular chamber (30) moving the piston (14) against the shutter (20), so as to deform it between the piston and the shoulder in an internal position d sealing and moving the piston in the opposite direction to allow the shutter (20) to relax towards its open position.

2. Annular obturator block according to claim 1, characterized in that it comprises means allowing mutual engagement between the adjacent insertion elements (44), in order to uniformly move their inner ends towards a support position, when the the ring (42) is deformed.

3. annular obturator block according to claim 1, characterized in that each of the insertion elements (44) comprises a cavity (48) extending on one side of the element and ending in a shoulder, at a distance from the internal end of the element, and a projection (50) extending on the other side of the element, the projections being positioned in the cavity of the adjacent element and capable of cooperating with the shoulder of the adjacent element, at the internal end of the cavity, so as to allow a uniform movement of the elements towards the shutter (20).

4. Annular obturator for a obturator block according to claim 1, having means allowing its axial compression, characterized in that it comprises an elastic ring (42) deformable having a plurality of insertion elements (44) forming a diaphragm embedded in the upper end of the elastic ring and tapering upwards and outwards so that their internal ends have an increased thickness extending partially over the length of the ring (42), on its internal periphery, over a distance less than the axial length of the ring, when the latter is completely deformed.

5. A shutter according to claim 4, characterized in that it comprises means ensuring mutual engagement between adjacent insertion elements (44), in order to uniformly move their internal ends towards a support position, when the ring (42) is deformed.

6. obturator according to claim 4, characterized in that each of the insertion elements (44) comprises a cavity (48) extending on one side of the element and ending in a shoulder, at a distance from the end internal, and a projection (50) extending on the other side of the element, the projections (50) being positioned in the cavity (48) of the adjacent insertion element and capable of cooperating with the shoulder (36) at the internal end of the cavity on the adjacent element, when the internal end of an element moves inward, by a greater distance than the adjacent element, and when the elements d insert (44) move towards their internal positions, so that the engagement of the projection (50) with the shoulder (36) allows a uniform internal displacement of the elements towards a support position, inside the ring.

Blanking blocks are used to regulate the pressure in oil and gas wells, during drilling and completion of these wells. The annular obturator blocks comprise a simple annular elastic lining, disposed inside a body having means allowing this lining to move so as to be engaged in leaktight manner with a part of a casing column extending through the shutter block or against the latter so as to hermetically seal a well when no casing column crosses said shutter block.

An annular obturator block is illustrated and described in US Patent No. 3,572,627 (Jones et al.). The annular obturator has an elastic ring with a circular series of rigid inserts extending through the obturator and provided with diaphragm end flanges at both ends, which move to provide end support for the elastic ring when compressed radially inwards by means of pistons. These pistons are positioned on the periphery of the elastic ring so as to exert a radial force directed directly inward on the elastic ring. Other annular obturator blocks use an axial deformation of the elastic ring, so as to displace it radially inwardly in sealed closure positions. U.S. Patents Nos. 4099699, 2287205, 3667721, 3223773, 2148844, 2812197 and 2287178 are examples of annular obturator blocks of the known technique.

Applying an axial force to the elastic ring of an annular obturator block is simpler and less costly than applying a relatively uniform radial force to the elastic ring. The use of an axial force with the elastic ring of the aforementioned patent of Jones et al would not be appropriate, since the rigid insertion elements would prevent axial deformation of the ring.

However, it is desired, in the case where such an axial force is exerted on the elastic ring, that the upper insertion elements, as represented in the patent application US Pat. No. 06/137549, have a diaphragm effect for moving inwards their internal ends in order to constitute a support for a part of the elastic ring moving internally in the sealed closure position.